원시 생명체의 탄생과 진화
최초 생명체 탄생에 대한 가설들
- 초기 지구의 특성
⑴ 뜨거운 지구 내부의 수증기가 방출되고 난 후 지구가 식으면서 수증기가 응결되어 바다가 형성되었다.
⑵ 지구 내부에서 분출된 이산화 탄소, 질소, 메테인, 암모니아 등을 지닌 대기를 가졌다.
⑶ 산소가 없는 대기를 가졌다(산소는 없었을 것으로 추정된다). 산소는 유기물과 빠르게 반응하여 이들을 파괴한다.
- 운석의 충돌과 대규모의 화산 활동으로 생성된 열에너지가 풍부하였다.
- 오존층이 형성되지 않아 태양의 강한 자외선과 우주 방사선이 그대로 지구 표면에 도달하여 복사 에너지가 풍부하였다.
- 불안정한 대기로 인해 발생한 번개와 같은 방전 현상에 의한 전기 에너지가 풍부하였다.
- 유기물의 생성과 화학적 진화설
⑴ 아미노산, 뉴클레오타이드와 같은 간단한 유기물을 생성하는 화학 반응에 필요한 에너지를 초기 지구가 공급하였다.
⑵ 화학적 진화설
① 오파린은 초기 지구의 대기에 자외선과 번개 등으로 에너지 공급 → 아미노산과 같은 간단한 유기물 생성 → 단백질과 핵산 등의 분자들이 형성 → 단백질과 핵산을 포함한 원시 세포 → 최초의 생명체가 탄생하였다는 가설을 주장하였다.
② 밀러와 유리는 무기물에서 간단한 유기물이 합성될 수 있음을 실험으로 뒷받침하였다.
⑶ 최근에는 심해 열수구에서 생명이 탄생하였다는 가설이 힘을 얻고 있다. 이곳에는 황화 수소(H2S), 황화 철(FeS2), 수소, 암모니아, 메테인 등 유기물의 생성에 필요한 화학 반응의 재료와 에너지원이 화산 활동으로부터 공급되고 있다.
- 유기물 복합체와 막의 형성
⑴ 단백질, 핵산 등의 유기물이 모여 유기물 복합체가 형성되면 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜 등 막으로 둘러싸인 구조가 자발적으로 생성될 수 있다.
⑵ 생명 현상을 일으키는 화학 반응이 일어나려면 분자들이 한정된 공간에 모여 있어야 한다. 따라서 막의 형성은 생명체의 출현에 매우 중요한 역할을 한다.
- 막은 막 내부를 외부 환경으로부터 분리시켜 물질대사와 같은 생명 활동이 안정적이고 지속적으로 일어날 수 있게 한다.
- 막은 막 내부의 물질대사에 필요한 물질을 선택적으로 흡수하고 방출하는 역할을 하기 때문에 막 형성은 원시 생명체 탄생에 중요하다.
- 자기 복제와 RNA 우선 가설
⑴ 자기 복제를 수행하는 고분자 유기물이 생명체의 시작점이며, 이를 수행하였다고 여겨지는 유기물은 RNA이다.
⑵ RNA 우선 가설: 특정 RNA는 유전 정보의 저장과 효소의 기능을 동시에 가질 수 있어, RNA가 최초의 자기 복제를 하였고 이로부터 생명이 진화하였다는 가설이다.
① RNA의 기능은 정보를 더욱 안정적으로 저장하는 DNA와 더 정확하고 다양하게 효소의 기능을 수행하는 단백질로 대체되었을 것이다.
② 리보자임의 발견은 RNA 우선 가설을 뒷받침한다.
⑶ 유전 정보의 저장 기능은 DNA가 담당하고 효소의 기능은 단백질로 대체되어 현재의 DNA → RNA → 단백질로 이루어진 유전 정보 흐름의 체계로 진화했을 것이다.
⑷ 진정한 생명체라 할 수 있는 원시 세포는 세포막으로 둘러싸여 내부의 환경을 안정적으로 유지하고 물질의 출입을 조절하며, 물질 합성과 에너지 획득에 필요한 효소를 가지고, 유전 물질의 복제와 세포 분열을 하여 생식할 수 있었을 것이다.
리보자임
특정 RNA가 유전 정보 저장 기능과 촉매 기능을 모두 가지고 있기에 RNA와 효소의 이름을 합쳐 리보자임이라고 이름 지었으며, 한 종류의 리보자임 구조는 그림과 같다.
-RNA 단일 가닥의 입체 구조: RNA 단일 가닥은 자기 자신의 염기들끼리 상보적 결합을 하면서 복잡한 모양으로 접힐 수 있다. 그 결과 리보자임처럼 효소의 기능을 할 수 있는 특이한 3차원 구조를 갖게 된다.
원시 생명체의 진화
- 에너지 획득 방법의 진화
⑴ 최초의 원시 생명체는 바다의 유기물을 소비하며 무산소 호흡을 하는 종속 영양 원핵생물이었다.
⑵ 유기물이 고갈됨에 따라 황화수소(H2S)나 수소를 전자 공급원으로 광합성을 하는 원핵생물이 등장했을 것이다.
⑶ 그 이후 물을 전자 공급원으로 사용하여 광합성을 하는 남세균이 출현하고 광합성 부산물로 산소를 내놓기 시작하였다.
⑷ 가장 오래된 남세균의 흔적은 스트로마톨라이트이며 가장 오래된 것은 약 35억 년 전에 형성되었다. 스트로마톨라이트는 암석 표면에 미생물의 막이 반복적으로 형성되어 화석으로 남은 것이다.
- 산소 방출의 효과
⑴ 최초의 광합성으로부터 생성된 산소는 철 이온과 반응하여 산화철의 침전을 일으켰고, 이것이 철광석의 원료가 되었다.
⑵ 산소는 활성이 높아 생체 분자를 산화시키므로 산소에 의해 많은 원시 생명체들이 사멸하게 되었다.
⑶ 이 새로운 환경이 생명체의 진화를 촉발하였고 산소 호흡을 수행하는 종속 영양 원핵생물이 등장하였다.
⑷ 대기 중의 산소로 인해 성층권에 오존층이 형성되었고 이는 육상 생물을 자외선으로부터 보호하는 역할을 한다.
진핵생물의 출현
- 막 진화설과 세포내 공생설
⑴ 막 진화설: 진핵생물의 핵막, 소포체, 골지체 등의 세포 소기관들은 조상 세포에서 세포막이 내부로 접혀 들어가 형성되었다는 가설이다.
⑵ 세포내 공생설
① 독립적으로 살아가던 산소 호흡 세균이 진핵생물의 조상 세포에 잡아 먹혀 내부로 들어간 이후 둘 간의 공생 관계가 고착되고 세균은 미토콘드리아가 되었다.
→ 이렇게 형성된 진핵생물은 동물과 균류 등 현생 종속 영양 진핵생물의 조상이 되었다.
② 광합성 세균은 세포내 공생을 통해 독립 영양 진핵생물의 엽록체가 되었다.
→ 이렇게 형성된 진핵생물은 식물 등 현생 독립 영양 진핵생물의 조상이 되었다.
③ 세포내 공생설의 증거: 미토콘드리아와 엽록체의 특징이다.
- 두 세포 소기관들의 내막은 원핵생물의 세포막과 비슷한 조성의 지질로 이루어졌다.
- 다른 원핵생물과 마찬가지로 원형 DNA를 갖는다.
- 원핵생물이 가진 리보솜과 구조가 유사한 리보솜을 가진다.
- 독립적으로 전사 및 번역을 수행한다.
다세포 진핵생물의 출현
- 다세포 생물의 진화 과정
⑴ 진핵생물이 매우 다양한 형태의 단세포 생물들로 분화된 이후에 다세포 진핵생물이 출현하였다.
⑵ 다세포 진핵생물에서는 많은 수의 세포가 한 개체를 이루고 기능적으로 분화하여 서로 협력하여 환경에 적응한다.
수행하는 세포가 분화되었다. 이 군체는 초기 다세포 진핵생물이 되어 다세포 진핵생물의 기원이 되었다.
⑶ 다세포 생물로의 진화는 진핵생물의 여러 계통에서 반복적으로 일어나 조류, 균류, 식물, 동물의 조상이 출현하게 되었다.
- 육상 생물의 출현: 광합성하는 진핵생물의 출현 이후 대기 중 산소 농도의 증가로 오존층이 형성되어 자외선을 상당 부분 차단함으로써 바닷속 생물이 육상으로 진출할 수 있었다. 동물, 식물 등 다세포 진핵생물이 육상으로 진출하면서 생물 다양성이 증가하였다.
- 우주 기원설
최근 생명의 기원에 관한 우주 기원설이 주목받고 있다. 우주 기원설에 따르면 지금으로부터 약 35억~40억 년 전에 우주 생명체가 운석과 함께 지구에 유입되어 현재 지구상에 있는 생물의 기원이 되었다고 한다. 왓슨과 함께 DNA의 이중 나선 구조를 밝힌 크릭은 우주 기원설을 지지하는 학자였다. 크릭은 원시 생명체의 구조가 매우 단순했으며, 단순한 원시 생명체에서 오늘날의 복잡한 생명체가 출현하기에는 지구의 역사가 너무 짧다고 주장하였다. 또, 최근에는 미국 항공 우주국(NASA)의 한 연구원이 지구에 떨어진 운석에서 발견한 생명체가 외계 세균일 가능성이 높다는 발표도 있었다. 하지만 운석에서 발견된 생명체가 외계 생명체가 아닐 가능성도 높고, 어떤 생명체도 우주 방사선에 노출된 상태로 지구에 들어올 때까지 살아 있는 것은 불가능하다는 의견이 있어 논란이 일고 있다. 따라서 우주 기원설을 입증하기 위해서는 지금보다 훨씬 명확한 증거가 필요하다.
- RNA 우선 가설
RNA 우선 가설은 최초의 유전자와 효소가 RNA 분자였다고 설명한다. 생체 화학 반응을 촉매할 수 있는 리보자임의 발견은 이 가설을 뒷받침한다. 간단한 RNA 분자들은 RNA 뉴클레오타이드로부터 우연히 조립되어 생겼을 수 있다. 이들 중 일부는 화학적 선택을 통해 자기 복제 능력과 뉴클레오타이드 합성 능력을 갖게 되었을 것이며, 리보자임과 같이 스스로 복제 가능하며 효소로서 작용할 수도 있는 분자로 진화하였다. 이러한 RNA 분자들은 mRNA처럼 주형으로 작용하기도 하고 촉매 기능을 수행하기도 하였다. 단백질 효소의 도움 없이 스스로 복제 가능한 RNA의 등장은 ‘RNA 세계’를 확립하였다. RNA 세계에서 일부 RNA는 tRNA처럼 아미노산과 짝을 이루게 되었고, rRNA로 이루어진 리보솜과 같이 효소로 작용하여 단백질을 합성하기도 하였다. 그 다음으로 일부 RNA 뉴클레오타이드에서 DNA 뉴클레오타이드가 생성되었고, 이들로부터 RNA 분자를 주형으로 DNA가 조립되었을 것이다. 현존하는 일부 바이러스가 갖는 역전사 효소는 이러한 가능성을 보여 준다. DNA는 RNA에 비해 화학적으로 더 안정적이고 더 많은 유전 정보를 저장할 수 있으므로 결국 정보 저장 물질로 선택되고 유전 정보 전달 체계는 ‘RNA 세계’로부터 ‘DNA → RNA → 단백질 세계’로 전환되었을 것이다.
- 원시 생명의 출현과 환경의 변화
지구상에 처음 출현한 생물은 무산소 호흡을 하는 종속 영양 생물이다. 이들에 의해 원시 바다 속의 유기물이 점점 감소하고 물질대사 결과 방출되는 이산화 탄소가 증가하면서 이 이산화 탄소를 이용하여 유기물을 합성하는 독립 영양 생물이 출현하게 된다. 이 독립 영양 생물은 초기에 전자 공급원으로 황화 수소나 수소를 사용하였을 것이다. 그러나 전자 공급원으로 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 물을 사용하는 생물이 나타나면서 바다속에 산소가 공급되었다.
광합성이 점점 활발해지고 세포 공생에 의해 산소 호흡을 하는 광합성 진핵생물이 출현하면서 산소의 양은 더욱 증가하게 되었다. 산소는 용해도가 낮기 때문에 광합성에 의해 방출되는 양이 증가하면 바다에 전부 용해되지 못하고 대기로 방출된다. 오랜 세월에 걸쳐 대기 중의 산소 농도가 증가하고 오존층이 형성되면서 자외선이 차단되어 육상에서 생물이 서식할 수 있는 환경이 형성되었다.
참고자료: 지학사 생명과학2 교과서, EBS 수능특강 생명과학2
